空分纯化系统的自动控制设计与优化

周小莹，禇瑞华（杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江 杭州 310004）

空分纯化系统的自动控制设计与优化

周小莹，禇瑞华（杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江 杭州 310004）

根据空分设备分子筛纯化系统的工艺流程控制要求,详细阐述DCS组态中分子筛纯化系统的自动控制过程,并且对分子筛程序进行优化,使空分运行更稳定,操作更简便。

分子筛；吸附器；DCS；自动控制；优化

1 分子筛纯化系统简述

低温法制氧的工艺流程，都配有用于净化流程空气的前置净化系统，从第四代空分开始采用分子筛纯化系统。分子筛纯化系统一般由两只互相切换的吸附器、一套阀门及加热器等组成，其对空气的吸附净化功能，直接影响到整个空分装置的安全、稳定运行。吸附器内装吸附剂：活性氧化铝和分子筛。活性氧化铝，主要用来吸附空气中的水分；分子筛，主要用来吸附空气中的二氧化碳和碳氢化合物。

2 工艺流程介绍

两只分子筛吸附器交替工作，即当一只吸附器处于吸附工作状态时，另一只则处于再生状态，处在吸附工作状态的吸附器，通以经过冷却的原料空气，先经氧化铝将其所含的水份吸附，然后再经分子筛吸附空气中的二氧化碳和碳氢化合物，使空气得到净化。经过一段时间的吸附，吸附器就得进行再生，再生用气为污氮气。吸附器的再生一般分四步进行，降压、加热、吹冷、升压。吸附器在工作周期即将结束时，须将容器内的带压空气排放出去，即降压；污氮气经加热器加热到165℃以上进入吸附器，使吸附剂析出水份及二氧化碳等；加热结束后吹冷用的污氮气进入吸附器进行冷却，冷却后需要将正在工作的一只吸附器中的空气充入即将再生完毕的一只吸附器中，使两只吸附器的压力均衡，即升压结束。此时经过再生的吸附器又可以投入吸附工作。其工艺流程图如图1所示。

图1 分子筛工艺流程图

吸附器A所对应的控制阀有空气进口切换阀V1201，空气出口切换阀V1203，污氮进口切换阀V1211，污氮出口切换阀V1213，空气卸压调节阀V1205; 吸附器B所对应的控制阀有空气进口切换阀V1202，空气出口切换阀V1204，污氮进口切换阀V1212，污氮出口切换阀V1214，空气卸压调节阀V1206。吸附器A、B共同所用调节阀有污氮吹冷控制阀V1217，污氮加热控制阀V1218，污氮气放空阀V1219，污氮气进系统调节阀V1226。其中V1201～V1204、V1211～V1214、V1217、V1218均为两位阀，带有阀位开和关限位开关和调速器，保证阀门开关缓慢，速度均匀，V1219用来调节污氮气压力，V1226用来调节污氮气流量。

3 分子筛纯化系统自动控制设计

分子筛纯化系统的控制是空分设备运行过程中，十分重要的控制环节。其控制质量直接影响到空分的稳定运行、设备效率，对氩产量也有很大的影响。选用集散控制系统（DCS）实现分子筛纯化系统的自动控制，安全可靠、操作更方便、直观。

分子筛吸附器自动控制过程实际上是分子筛吸附器再生的自动控制过程，DCS组态中主要对分子筛再生过程进行控制，通过对分子筛切换阀的控制、均压阀及卸压阀的控制及再生污氮气流量及压力的控制实现两只分子筛吸附器的切换，保证分子筛纯化系统的正常运行。

分子筛吸附器的再生过程为：

整个再生过程必须严格按照规定的控制程序和时间、压力、压差等条件，以及前一步动作完成之后，有关阀门的开关状态来进行。各阀门的程序切换是由DCS顺控程序实现。

分子筛吸附器自动控制程序主要是根据分子筛纯化系统自动切换程序表，按工艺要求编制的，切换过程每一步的时间长短由DCS内计时器控制（如卸压、加热、吹冷、充压），其阀门开关顺序如表1所示。

表1 阀门开关顺序表

3.1 控制程序设计

3.1.1 初始化程序

（1）第一次启动时通过初始化按钮将顺控程序启动，所有阀门处于程序控制状态，所有状态显示及标志位复位，计时器复位。V1201、V1202、V1203、V1204、V1217阀门全开，V1219置于自动，V1205、V1206、V1207、V1211、V1212、V1213、V1214、V1218阀门全关。

（2）选择分子筛吸附筒

程序具有选择从哪个吸附器开始再生的功能，以下以选择吸附器A再生为例，吸附器B再生与此相同，不再赘述。

3.1.2 主控制程序

（1）准备卸压

V1201、V1202、V1203、V1204、V1217阀门全开，V1219置于自动，V1205、V1206、V1207、V1211、V1212、V1213、V1214、V1218阀门全关。判断上述阀门的阀位反馈，每个阀门阀位反馈确认步计时60秒，计时时间到阀位开关还没到位则系统报警。

（2）卸压阶段

卸压标志位显示，此阶段最重要的是卸压阀的调节控制。避免上部分子筛层受到压力波动的冲击，卸压速度不能太快，采用分段控制，如图2所示。

全关V1201、V1203，确认V1201、V1203全关后，V1205电磁阀得电，对V1205开度采用分段控制。

图2 卸压阀开度与时间对应关系图

启动卸压计时器T_DOWN。

计时结束及吸附筒A出口压力PIS1201小于10kPa后，卸压结束，进入加热阶段。

（3）加热阶段

加热标志位显示，打开V1213，确认V1213全开后，打开V1211，确认V1211全开后，打开V1218，确认V1218全开后，关闭V1217。V1219设定值自动增加一定值，确认V1217全关后，加热计时器T_HEAT开始计时，待计时结束进入吹冷阶段。

（4）吹冷阶段

吹冷标志位显示，打开V1217，确认V1217全开后，关闭V1218，确认V1218全关后，启动吹冷计时器T_COOL，开始计时，待计时结束及吸附筒A进口温度TIS1201低于40℃时，吹冷结束，进入均压阶段。

（5）均压阶段

均压标志位显示。此阶段最重要的控制为再生污氮放空阀V1219的控制和均压阀V1207的控制。

为减少吸附器切换过程中引起的上塔压力波动，此阶段对V1219的控制需具备预设开的功能，即将V1219打开到预先设定的开度。

均压阀V1207采用分段控制，如图3所示。这样阀门开度随着时间缓慢变大，减少压力波动时导致的气流冲击吸附剂床层，使床层发生移动或摩擦，使分子筛工作效果更好。

图3 均压阀开度与时间对应关系图

关闭V1211、V1213、V1205，V1219的PID置成自动，在预设开度值的基础上进行自动调节。确认V1211、V1213、V1205全关后，V1207电磁阀得电，对V1207开度采用分段控制。

均压计时器T_UP开始计时，待计时结束及两只吸附筒后压差PDIS1201小于8kPa，则进入交换阶段。

（6）交换阶段

交换标志位显示，关闭V1207，确认V1207关闭后，打开V1203，确认V1203全开后，打开V1201，确认V1201全开后，交换计时器T_CHANGE开始计时，此时吸附器A、B并列运行，此阶段时间一般为3分钟，待计时结束后转入吸附器B再生程序。

3.1.3 中断程序

程序暂停条件：

（1）空分大联锁；

（2）组态画面暂停按钮“暂停/继续”；

（3）分子筛阻力PDIAS1205达到高联锁值。

3.2 DCS组态画面设计

DCS组态画面要直观、易于操作，针对图1的工艺流程图，DCS组态画面需要包括以下内容：

（1）状态显示

通过字体颜色显示分子筛吸附器处于再生过程之卸压、加热、吹冷、充压、交换中的某一阶段，同时需设置各个阶段所对应的计时器：T_DOWN(卸压计时)，T_HEAT(加热计时)，T_ COOL(吹冷计时)，T_UP(充压计时)，T_CHANGE(交换计时)，T_ STOP(暂停计时)，所有计时器以“秒”为单位显示。

阀门状态：以颜色区别阀门开关的状态。

程序状态：运行/暂停，指示分子筛顺控程序的状态。

（2）画面按钮

“暂停/继续”按钮：可用来暂停或继续顺控程序。

“跳步”按钮：顺控程序可根据工艺要求，人为地执行跳过某一步骤，尤其是在开车调试初期，如果认为某只分子筛吸附器的加热、吹冷或其他时间段不需要执行或要重复一段时间，则操作员可以通过修改计时器的时间，使程序向前或向后跳转，以完成相应的操作过程。这里只是描述分子筛吸附器顺控程序具备这种功能，但为了安全起见，在设备运行时，通常不建议采用这种“跳步”的方法，但在程序调试时，为避免重复调试某段程序或跳过某一步长时间的执行，可采用这种方法。

“初始化”按钮：此按钮用于第一次启动顺控程序时使用。初始化后所有阀门处于程序控制状态，所有状态显示及标志位复位，计时器复位。DCS组态画面示意图如图4所示。

图4 分子筛纯化系统DCS组态画面示意图

3.3 纯化系统的自动控制系统优化

3.3.1 分子筛系统报警设置

（1）分子筛出口压力（PIS1201, PIS1203）：若卸压时间结束后压力仍达未到低联锁值，则需要报警。

（2）分子筛差压（PDIS1201）：若均压时间结束后压力仍未达到低联锁值，则需要报警。

（3）分子筛进口温度（TIS1201, TIS1203）：若吹冷时间结束后温度仍未达到低联锁值，则需要报警。

（4）每台切换阀打开或者关闭后，60秒后阀位反馈不到则需报警。

3.3.2 分子筛系统控制功能

（1）顺控程序暂停时分子筛系统的切换阀允许手动操作，但8个切换阀的手动操作需受到差压联锁逻辑限制，若联锁条件成立，则不允许手动操作此8个切换阀，以免造成分子筛冲床。

（2）分子筛均压时，程序设置将空压机导叶自动跟踪进行调节：空压机入口导叶出口压力控制器设定值自动在原来的基础上以一定的速率增加，均压结束前一定时间内，空压机出口压力设定值自动以一定的速率恢复到均压前的设定值，以减少进塔空气量的波动。

（3）优化控制分子筛的冷却时间，以保证出分子筛的空气温度，分子筛吹冷开始一段时间后，进分子筛污氮气流量FIC1201设定值自动在原来的基础上以一定的速率增加一定值，吹冷结束前一定时间，FIC1201设定值自动以一定的速率恢复到冷吹前的设定值。

4 结束语

空分纯化系统作为空分设备的重要环节，自动控制程序的可靠性、安全性和易操作性非常重要，经过优化后的分子筛程序完全适合空分系统生产工艺要求，自动化作业率高，故障查找与分析更方便，减轻了生产操作工人的工作难度与强度，使空分设备的稳定性、可操作性有了很高的改善，对以后的空分纯化系统的自动控制具有很大的推广意义。

Design and Optimization of Molecular Sieve Purification System Automatic Control

According to the control requirements of molecular sieve purification system, this paper introduces the control process of its automatic control in DCS control system. The molecular sieve purification scheme is optimized so that the operation of molecular sieve is more stable and operation is more simpe.

Molecular sieve; Absorber ; DCS; Automatic control; Optimization

B

1003-0492(2015)06-0094-03

TP273

周小莹（1982-）,女，2008年毕业于陕西科技大学控制理论与控制工程专业，现就职于杭州杭氧股份有限公司设计院，从事空分设备仪控系统设计、组态调试等工作。